Das Verfahren der magnetisch induktiven Tomographie (MIT) erlaubt die Rekonstruktion der Leitfähigkeitsverteilung eines untersuchten Objekts für eine Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen. Der Vorteil des Verfahrens ist dabei vor allem in der kontaktlosen und zerstörungsfreien Informationsgewinnung zu sehen. Traditionell besteht ein MIT-System aus einer oder mehreren Sendespulen, die ein veränderliches magnetisches Feld erzeugen. Dieses von den Spulen erzeugte primäre magnetische Wechselfeld durchdringt das zu untersuchende Objekt und erzeugt dabei Wirbelströme im Objekt. Die erzeugten Wirbelströme verursachen dabei selbst wieder ein magnetisches Feld, das sogenannte sekundäre elektrische Feld. Die Stärke dieses sekundären Magnetfeldes ist vor allem von der Leitfähigkeit des untersuchten Objektes abhängig. Durch die Messung des sekundären Magnetfeldes mit einer oder mehreren Empfangsspulen und die anschließende Auswertung des Messwerte kann auf die Leitfähigkeit des untersuchten Objektes geschlossen werden. Wird eine tomographische Anordnung der Sende- und Empfangsspulen verwendet, so lassen sich über eine mathematische Modellierung des Systems und die Lösung des inversen Problems unter Verwendung der Messdaten Verteilungen der Leitfähigkeit innerhalb des untersuchten Objektes berechnen. Durch die Darstellung der Leitfähigkeitsverteilung in einem entsprechenden Diagramm kann ein Bild des Objektes (bzw. der Leitfähigkeitsverteilung im Objekt) generiert werden.Der Artikel beschreibt den Aufbau eines 16-kanaligen MIT-Systems mit paralleler Verarbeitung der 16 Empfangskanäle. Um die parallele Verarbeitung zu erreichen, werden die hochfrequenten Messsignale zunächst durch einen Mischer auf eine niedrigere Zwischenfrequenz umgesetzt, um dann durch einen professionellen Audiowandler in digital verarbeitbare Signale konvertiert zu werden.
1. Einleitung
Das Verfahren der magnetisch induktiven Tomographie (MIT) erlaubt die Rekonstruktion der Leitfähigkeitsverteilung eines untersuchten Objekts für eine Vielzahl von industriellen und medizinischen Anwendungen. Der Vorteil des Verfahrens ist dabei vor allem in der kontaktlosen und zerstörungsfreien Informationsgewinnung zu sehen. Traditionell besteht ein MIT-System aus einer oder mehreren Sendespulen, die ein veränderliches magnetisches Feld erzeugen. Dieses von den Spulen erzeugte primäre magnetische Wechselfeld durchdringt das zu untersuchende Objekt und erzeugt dabei Wirbelströme im Objekt. Die erzeugten Wirbelströme verursachen dabei selbst wieder ein magnetisches Feld, das sogenannte sekundäre elektrische Feld. Die Stärke dieses sekundären Magnetfeldes ist vor allem von der Leitfähigkeit des untersuchten Objektes abhängig. Durch die Messung des sekundären Magnetfeldes mit einer oder mehreren Empfangsspulen und die anschließende Auswertung des Messwerte kann auf die Leitfähigkeit des untersuchten Objektes geschlossen werden. Wird eine tomographische Anordnung der Sende- und Empfangsspulen verwendet, so lassen sich über eine mathematische Modellierung des Systems und die Lösung des inversen Problems unter Verwendung der Messdaten Verteilungen der Leitfähigkeit innerhalb des untersuchten Objektes berechnen. Durch die Darstellung der Leitfähigkeitsverteilung in einem entsprechenden Diagramm kann ein Bild des Objektes (bzw. der Leitfähigkeitsverteilung im Objekt) generiert werden.
2. Beschreibung des Systems
2.1 Mechanischer Aufbau
Der Tomograph besteht aus einem zylindrischen Aluminiumgehäuse mit einem Innendurchmesser von 35 cm. An der inneren Gehäusewand sind jeweils 16 Sende- und 16 Empfangspulen montiert. Im gegenwärtigen Aufbau sind die Sendespulen (äußerer Ring) und die Empfangsspulen (innerer Ring) kreisförmig und in gleichmäßigem Abstand verteilt (siehe Abb. 1).
Abb.1: Blick von oben in den Tomographen: erkennbar sind Sende- und Empfangsspulen
Die elektronischen Module für den Sende- und Empfangszweig sind an der Außenseite des Tomographen montiert. Zur Abschirmung gegen äußere Störeinflüsse und gegen Einkopplungen von anderen Modulen befindet sich jedes Modul in einem seperaten Metallgehäuse (siehe Abb. 2). Weiterhin sorgt eine abnehmbare Metallabdeckung für zusätzlichen Schutz gegen äußere Störeinflüsse. Die im Tomographen eingesetzten Spulen bestehen aus Leiterplattenmaterial (FR4, 1 mm dick), auf dem je eine Windung mit einem Durchmesser von 50 mm auf Vorder- und Rückseite aufgebracht ist.
Abb.2: Seitenansicht des Tomographen mit Elektronikmodulen and A/D-Konvertern
2.2 Elektrischer Aufbau
Abbildung 3 zeigt ein Blockdiagramm des Messaufbaus. Zwei frequenzsynchronisierte Signalgeneratoren (Agilent 33220A) werden für die Erzeugung der benötigten Frequenzen verwendet. Signalgenerator 1 erzeugt das Referenzsignal für die Sendeelektroniken. Das Signal wird über einen Signalverteiler (MiniCircuits ZFSC-16-12) an die 16 Sendemodule weitergeleitet. Die Sendemodule verstärken dieses Signal auf ein Signallevel von VRMS = 1.7 V and IRMS = 50 mA an der Sendespule. Außerdem ermöglichen die Module das programmgesteuerte An- und Abschalten des Sendesignals. Die Steuerung erfolgt dabei über einen USB-Konverter (National Instruments DAQ 6501) durch das Steuerprogramm auf dem PC.
Abb. 3: Blockdiagramm des Messaufbaus
Der zweite Signalgenerator stellt das LO-Signal für den Mischvorgang (Downconversion) des Messsignals bereit. Das LO-Signal wird ebenfalls über einen Verteiler an die Empfängermodule weitergeleitet. Die Empfängermodule führen nach einer Verstärkung des Messsignals den Mischvorgang von Messsignal und LO-Signal aus. Die dabei erzeugte Zwischenfrequenz (IF) wird nochmals verstärkt und gefiltert, um danach an die Analog/Digital-Wandler (ADC) weitergereicht zu werden. Der derzeitige Aufbau verwendet für die Digitalisierung professionelle Audiowandler vom Typ MOTU HD 192. Diese bieten neben sehr gutem Rauschverhalten (0.0005% THD+N) und hervorragender 24-bit Auflösung ebenfalls die Möglichkeit, 12 Messkanäle gleichzeitig zu erfassen. Durch die Kopplung von bis zu 4 Geräten dieser Baureihe lassen sich maximal 48 Kanäle gleichzeitig aufzeichnen. Die digitalisierten Daten werden über eine proprietäre Schnittstelle (Audiowire) zur weiteren Verarbeitung an den PC übergeben.Der gesamte Messaufbau wird von einem PC gesteuert. Die Steuersoftware ist in der grafischen Programmiersprache LABVIEW (National Instruments), die häufig für die Automatisierung von Messplätzen eingesetzt wird, geschrieben. Das Programm steuert die Signalgeneratoren und die Sendemodule an. Außerdem verarbeitet es die von den A/D-Wandlern empfangenen Daten weiter. Durch die Verwendung der sich aus mathematischen Modellen ergebenden Matrizen ist es möglich, Bilder der Leitfähigkeitsverteilungen quasi in Echtzeit zu erzeugen und auszugeben.
Abb. 4: Blockdiagramme der Empfänger- (oberes Diagramm) und Sendemodule (unteres Diagramm)
Abbildung 4 zeigt die Blockdiagramme der Sende- und Empfangsmodule. Das Empfangsmodul besteht aus einem rauscharmen Vorverstärker für das hochfrequente Messsignal und das eingespeiste LO-Signale. Beide Signale werden durch einen passiven Mischer auf eine Zwischenfrequenz heruntergemischt. Diese Zwischenfrequenz wird gefiltert und verstärkt, um dann an die Analog/Digital-Wandler weitergeleitet zu werden.Das Sendemodul verstärkt das zugeführte Referenzsignal über einen Vor- und einen Leistungsverstärker. Ein von der Steuersoftware kontrolliertes elektromechanisches Relais ermöglicht es, den Leistungsverstärker elektrisch von der Sendespule zu trennen.
3. Ergebnisse
Abbildung 5 zeigt einen Versuchsaufbau, bei dem vier Plastikflaschen mit Salzlösung jeweils unterschiedlicher Leitfähigkeit eingesetzt wurden (obere Flasche 0.5 Sm-1, linke Flasche 0.75 Sm-1, rechte Flasche 1 Sm-1 und untere Flasche 1.25 Sm-1). Das linke Bild stellt die Anordnung der Flaschen im Tomographen, das rechte Bild die aus den gemessenen Werten rekonstruierte Leitfähigkeitsverteilung dar. Die ansteigende Leitfähigkeit von der oberen zur unteren Flasche ist im rekonstruierten Bild sehr gut an der ansteigenden Farbintensität zu erkennen.
Abb. 5: Experimenteller Aufbau (links) and rekonstruiertes Bild (rechts): verwendet wurden 4 Plastikflaschen mit Salzlösung unterschiedlicher Leitfähigkeit (0.5, 0.75, 1 and 1.25 Sm-1)
